于艷飛，高建峰

（1.朔州市應(yīng)急指揮中心，山西 朔州 036000；2.朔州市應(yīng)急管理綜合行政執(zhí)法隊(duì)，山西 朔州 036000）

0 引 言

礦井火災(zāi)是煤礦五大災(zāi)害之一，其中煤層自燃引發(fā)的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85 %以上[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國存在有煤炭自燃的礦井占礦井總數(shù)的58%，有自然發(fā)火危險(xiǎn)的煤層占累計(jì)可采煤層數(shù)的65%[2-3]。近年來，我國廣泛采用綜采放頂煤開采技術(shù)，使生產(chǎn)效率大幅提高，但這種采煤方法采空區(qū)遺留殘煤多、冒落高度大、漏風(fēng)嚴(yán)重，使得自燃火災(zāi)發(fā)生頻繁[4]，不僅造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)還會(huì)造成人身傷害。煤炭自燃已成為制約高產(chǎn)高效礦井安全生產(chǎn)與發(fā)展的主要因素之一。

為治理煤炭自然發(fā)火，科研工作者進(jìn)行了大量科學(xué)研究和試驗(yàn)，近年來防滅火采用的技術(shù)主要有采空區(qū)噴灑阻化劑、注入惰性氣體、注漿、泡沫樹脂材料、凝膠覆蓋煤體等[5-6]，雖然這些技術(shù)方法對(duì)防治煤層自然發(fā)火都能起到一定效果，但也存在許多不足之處。如對(duì)采空區(qū)遺煤噴灑阻燃劑時(shí)不能對(duì)煤體表面實(shí)現(xiàn)均勻噴灑覆蓋，且容易腐蝕設(shè)備，對(duì)作業(yè)人員身體健康也會(huì)造成一定影響；采空區(qū)注入惰性氣體防止煤炭自燃效果較差，且注氮設(shè)備容易損壞需經(jīng)常維護(hù)；注漿的漿液需從高處向低處流淌，容易受條件限制且漿液對(duì)煤體覆蓋效果較差；樹脂泡沫材料容易產(chǎn)生有毒氣體；膠體材料成本較高。采用固體泡沫材料對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填密閉，能夠有效減少采空區(qū)漏風(fēng)，防止采空區(qū)遺煤自燃，且該材料具有成本低、操作簡單等特點(diǎn)。通過調(diào)整固體泡沫的2 種材料配比量及添加沙子和未添加沙子條件下分別進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)研究，以得到固體泡沫的最大發(fā)泡倍數(shù)，同時(shí)減少材料成本投入，并在常村煤礦21022 工作面進(jìn)行應(yīng)用，以達(dá)到有效防治采空區(qū)遺煤自然發(fā)火和瓦斯集中涌出問題。

1 固體泡沫材料發(fā)泡試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方法

按規(guī)定用量準(zhǔn)備好原料A 和發(fā)泡劑B，利用注射器將該2 種材料吸取后注入到試驗(yàn)用模具里，并向模具內(nèi)加入一定量的粒徑為2 mm 的沙子，將模具內(nèi)的材料攪拌均勻，當(dāng)2 種材料全部發(fā)泡凝固定型后，利用阿基米德原理對(duì)形成的泡體總體積進(jìn)行測算[7-8]，并根據(jù)公式發(fā)泡倍數(shù)=（發(fā)泡后樣品總體積）/（原料A 體積+發(fā)泡劑B 體積+沙子體積）來計(jì)算原料A 與發(fā)泡劑B 配比形成發(fā)泡體的發(fā)泡倍數(shù)。

1.2 未添加沙子條件下固體材料發(fā)泡試驗(yàn)

為得到原料A 與發(fā)泡劑B 在不同配比量情況下的發(fā)泡倍數(shù)，隨機(jī)選取18 組不同配比樣品進(jìn)行分組試驗(yàn)，結(jié)果見表1。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用數(shù)值軟件將發(fā)泡倍數(shù)與不同配比量之間的關(guān)系變化曲線繪制出如圖1 所示的曲線圖。

表1 未添加沙子條件下固體泡沫發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果

圖1 不同配比條件下發(fā)泡倍數(shù)變化曲線圖

由圖1 分析可知，隨著原料A 與發(fā)泡劑B 配比量的不同變化，發(fā)泡倍數(shù)先出現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，當(dāng)?shù)竭_(dá)一定峰值后發(fā)泡倍數(shù)又開始逐漸減小，變化曲線呈拋物線形態(tài)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)原料A 與發(fā)泡劑B 的配比值為1∶1.2 時(shí)，發(fā)泡材料的發(fā)泡倍數(shù)值達(dá)到最大值為16.73。因此，為了使發(fā)泡材料的發(fā)泡倍數(shù)能夠達(dá)到最大值，原料A 與原料B 配比最佳值應(yīng)選擇1∶1.2。

1.3 添加沙子條件下固體材料發(fā)泡試驗(yàn)

為研究固體泡沫在不同含沙量條件下發(fā)泡倍數(shù)，將原料A 和發(fā)泡劑B 按照1∶1.2 的比例配比后，選取15 組樣品進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)情況將相關(guān)數(shù)據(jù)整理后得到結(jié)果見表2。 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，采用數(shù)值軟件將發(fā)泡倍數(shù)與不同含沙量之間的關(guān)系變化曲線繪制出如圖2 所示的曲線圖。

表2 不同含沙質(zhì)量條件下固體泡沫發(fā)泡試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同含沙量條件下發(fā)泡倍數(shù)變化曲線圖

根據(jù)圖2 分析可知，隨著固體發(fā)泡材料中含沙量的不同變化，發(fā)泡材料的發(fā)泡倍數(shù)也會(huì)發(fā)生較大變化，其變化趨勢(shì)是隨著含沙量的增加，發(fā)泡倍數(shù)先出現(xiàn)一定程度的增加，隨后隨著含沙量的增多，發(fā)泡倍數(shù)呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)。從試驗(yàn)中得知，當(dāng)含沙量達(dá)到22.95 %時(shí)，試驗(yàn)樣品發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到最大值為14.52。

1.4 固體泡沫材料在添加沙子前后的成本核算

為核算發(fā)泡材料的成本，需先獲得固體發(fā)泡材料的密度，根據(jù)測試計(jì)算得知，原料A 的密度ρA=1.051 2 g/cm3，發(fā)泡劑B 的密度ρB=1.142 6 g/cm3，添加沙子的密度ρS=1.361 g/cm3。測算成本時(shí)，按照原料A 和發(fā)泡劑的單價(jià)均為3.5 萬元/t 測算，所使用沙子的單價(jià)為35 元/t。為減小測算時(shí)因測量材料體積造成的誤差，計(jì)算時(shí)取一修正系數(shù)K，K 是一個(gè)比值，取值由試驗(yàn)樣品中的選取的同一組數(shù)據(jù)中最大體積與最小體積相比得到的[9-11]。根據(jù)以上數(shù)據(jù)分別測算未添加沙子和添加沙子條件下對(duì)體積為Vm3的空間進(jìn)行封堵時(shí)所需要的成本。

1）未添加沙子條件下原料A 與發(fā)泡劑B 配比為1∶1.2 時(shí)，發(fā)泡倍數(shù)16.73，根據(jù)修正系數(shù)K 的計(jì)算方法計(jì)算得到K 為1.016，由此計(jì)算：

2）在原料A 與發(fā)泡劑B 配比為1∶1.2 時(shí)，在添加沙子條件下，當(dāng)添加的沙子質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總體積的22.95%，發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到最大值14.52 時(shí)，根據(jù)修正系數(shù)K 的計(jì)算方法計(jì)算得到K 為1.008，由此計(jì)算：

通過以上計(jì)算可知，當(dāng)原料A 與發(fā)泡劑B 配比為1∶1.2 時(shí)，在未添加沙子的條件下對(duì)體積為Vm3的空間進(jìn)行封堵時(shí)，需投入的成本C1為2 446.0 元；在配料中添加22.95 %的沙子時(shí)，所需花費(fèi)的成本C2為2 059.3 元，由此可見在配比發(fā)泡材料時(shí)添加一定比例的沙子能夠達(dá)到降低材料成本投入。因此在礦井對(duì)采空區(qū)使用固體泡沫材料進(jìn)行封堵時(shí)可以在配比材料中添加黃沙以降低材料成本投入。

2 應(yīng)用實(shí)踐

常村煤礦21022 工作面在回采結(jié)束后其尾巷由于受礦壓顯現(xiàn)影響，頂板垮落較嚴(yán)重，在工作面后方200 m 范圍內(nèi)人員無法進(jìn)入，造成采空區(qū)無法封堵密閉。為了減小采空區(qū)漏風(fēng)，防止采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火，同時(shí)提高礦井風(fēng)量利用率，決定采用固體泡沫材料對(duì)工作面后方采空區(qū)進(jìn)行封堵密閉，實(shí)施步驟如下：

1）在開始試驗(yàn)前調(diào)整好發(fā)泡時(shí)間，保證發(fā)泡材料在噴槍噴出后才會(huì)開始發(fā)泡。

2）選用長度L 為20 m，直徑為13 mm 的高壓膠管作為噴射管，試驗(yàn)開始簽將注液泵泵體與噴射高壓管路連接好，將管路順直。

3）試驗(yàn)使用固體泡沫材料封閉處的巷道斷面形狀為矩形，通過現(xiàn)場測量其斷面尺寸為高1.3 m，寬為2.1 m，斷面積S=2.73 m2。

4）在注液泵處和噴射管路處分別配備好人員，當(dāng)試驗(yàn)開始時(shí)，外側(cè)泵站處人員開啟注液泵，里側(cè)噴液槍處人員負(fù)責(zé)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行噴射封閉，并安排專人對(duì)開始噴射漿液開始時(shí)間T1、注液泵工作時(shí)的壓力P、泵站流量Q及噴射槍口出液時(shí)間T2進(jìn)行記錄。通過記錄得到數(shù)據(jù)分別為T1=10:25:22,P=1.2 MPa、Q=13.5 L/min，T2=10:25:34。

5）當(dāng)巷道全部被封閉嚴(yán)實(shí)后，停止注液泵，并記錄停泵時(shí)間T3=10:56:28，注液共計(jì)用時(shí)31 min，共計(jì)用液質(zhì)量m = 0.6 t，計(jì)算得出注液速度v=19.3 kg/min。

6）回收注液設(shè)備，試驗(yàn)結(jié)束。

根據(jù)上述現(xiàn)場試驗(yàn)測定的數(shù)據(jù)，利用公式ρ=υ/Q和V1=m/ρ 可以計(jì)算得出：使用固體泡沫材料的密度ρ=1.43 kg/m3，體積V1=0.42 m3。根據(jù)前述試驗(yàn)測得該種發(fā)泡材料的發(fā)泡倍數(shù)是14 倍，因此在對(duì)采空區(qū)封閉時(shí)泡沫材料發(fā)泡后體積增大到5.88 m3。根據(jù)公式h=V/S和v1=L/（T2-T1）計(jì)算得出固體泡沫材料發(fā)泡后形成的墻體厚度h=2.15 m，泡沫液體在噴液膠管內(nèi)的流動(dòng)速度v1=1.67 m/s。

根據(jù)上述理論和現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果，在21022 工作面回采過程中，對(duì)尾巷采空區(qū)采用固體泡沫材料進(jìn)行封堵密閉，共計(jì)構(gòu)筑了16 道封堵墻，封閉堵漏密閉12 道，封閉相關(guān)聯(lián)絡(luò)巷通道15 道，強(qiáng)化噴射密閉墻6 道，工作面回采結(jié)束后對(duì)上下兩巷及采空區(qū)進(jìn)行全部封堵密閉，共計(jì)構(gòu)筑密閉墻10 道，累計(jì)消耗固體泡沫材料25 t。工作面回采期間采取封堵密閉措施前后瓦斯?jié)舛群惋L(fēng)量變化情況如表3 所示。

表3 21022 工作面密閉前后風(fēng)量和瓦斯?jié)舛茸兓闆r

由表3 數(shù)據(jù)分析可以看出，21022 工作面在封堵密閉后，瓦斯?jié)舛扔擅荛]前的1.85 %降低到0.41 %，減小了77.8 %，瓦斯涌出量由原來的4.92 m3/min 減小到1.21 m3/min，降低了75.4%。由此可見，工作面采取封堵措施后，能夠有效降低工作面采空區(qū)瓦斯?jié)舛群屯咚褂砍隽?，同時(shí)減小工作面采空區(qū)漏風(fēng)量，有效防止了采空區(qū)遺煤自然發(fā)火，為工作面安全高效生產(chǎn)提供了保障。

3 結(jié) 論

1）通過對(duì)固體發(fā)泡材料進(jìn)行發(fā)泡試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在不添加沙子條件下，原料A 與發(fā)泡劑B 的配比值在1∶1.2 時(shí)，發(fā)泡材料的發(fā)泡倍數(shù)能夠達(dá)到最大值為16.73 倍；當(dāng)原料A 和發(fā)泡劑B 按照1∶1.2最佳比例配比后，在添加沙子條件下，當(dāng)含沙量達(dá)到22.95%時(shí)，試驗(yàn)樣品發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到最大值為14.52。

2）通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)原料A 和發(fā)泡劑B 按照1∶1.2 最佳比例配比后，在配比發(fā)泡材料時(shí)添加一定比例的沙子能夠達(dá)到降低材料成本投入，當(dāng)添加的沙子質(zhì)量分?jǐn)?shù)占總體積達(dá)到最佳22.95%時(shí)，花費(fèi)成本降低387 元/m3。

3）現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐結(jié)果表明，工作面采空區(qū)采用固體泡沫材料封堵密閉后，能夠極大降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛群陀砍隽?，同時(shí)減小了采空區(qū)漏風(fēng)量，說明該固體泡沫材料能夠起到有效的防止采空區(qū)瓦斯集中涌出和防滅火效果，能夠保證工作面安全高效回采。